SiCp/Al二維超聲復合電解/放電加工的表面生成機理及試驗研究

李 晶 陳灣灣 朱永偉

（揚州大學機械工程學院，揚州 225127）

0 引言

金屬基復合陶瓷材料因其突出的優點如硬度高、質量輕、耐磨等，在航空零部件材料制備領域應用日益廣泛。傳統機械加工技術往往無法高效、高質加工，而特種加工技術是其未來的主要加工方向。旋轉超聲加工在硬脆難加工材料上表現顯著，其加工表面以類似于“微磨削”，生成較高質量的工件表面［1-2］。電解加工在導電金屬的曲面、微小孔等加工領域上表現優異［3-4］，而放電加工則在非導電材料加工上應用較廣［5-7］。

面對復合材料的高質量要求，需要充分利用各種加工技術的優點、改進工藝方式［8］。例如高速的超聲波振動切削加工（HUVC）［9］，超聲復合磨削加工（UAG）［10］、超聲振動鉆削加工（UVD）［11］等在加工難加工材料時都獲得較高的表面質量。超聲振動的方向影響著表面生成機理及形貌變化規律［12］。WANG［13］等人分析了切向超聲波振動輔助研磨（TUAG）的表面形貌生成機理，磨粒對加工表面反復碾壓，加工表面更平整。GAO［14］在二維超聲振幅輔助研磨（UVAG）中通過多角度二維表面表征試驗分析了軸向超聲的“加寬效應”，有利于降低甚至消除相鄰溝槽的凸起高度。同時，LIU［15］發現了軸向振動的溝槽加寬、切向超聲振動的碾壓，二維超聲振動比一維振動更具有優勢。電火花熔蝕、電化學腐蝕、機械磨削加工的共同作用下，表面粗糙度（Ra）比單一工藝降低一個數量級［16］。超聲促進電解液充滿加工間隙、沖刷加工表面，排出產物和氣泡，提高電解加工精度和穩定性［17］，提高放電頻率和次數，但較高電壓時對已生成表面進行二次電解/放電加工，降低了表面精度。

二維超聲復合電解/放電加工技術發揮了碾壓、加寬和電解/放電整平作用優勢，有必要對其表面生成機理進行深入研究。本文從單磨粒運動軌跡出發，研究二維超聲振動輔助磨削加工和電解/放電加工對表面生成機理的影響，通過研磨面積比對加工表面溝槽的往復碾壓加寬效應，電解/放電對溝壑的整平效應來分析復合材料表面形貌和表面粗糙度的變化規律。

1 表面生成機理分析

二維超聲復合電解/放電加工（2UECM/EDM）是二維超聲振動輔助磨削（2UM）、電解/放電加工（ECM/EDM）的有效復合，加工示意圖見圖1。工具旋轉的同時沿軸向超聲振動，并以一定速度沿X向進給，而工件沿工具進給切向超聲振動。鍍覆金剛石的導電工具連接到電源的負極，而工件連接到電源的正極，極間充滿低導電率的鈍性電解液。工具上單磨粒和工件的運動方程SP（t）、SW（t）可表示為：

圖1 加工示意圖Fig.1 Machining diagram

式中，n為刀具轉速；AZ和AX分別為工具軸向（Z向）和工件切向（X向）振幅；fZ和fX分別為工具和工件的振動頻率；vw為工具進給速度。

加工原理如圖2所示。極間通電時，工件金屬基因電解溶解而去除，加工過程產生的氣體聚集在工具表面，部分顆粒裸露出工件表面；當氣膜形成且工件振動改變極間電場強度至足夠擊穿氣膜時，極間發生放電熔蝕材料［18］；當工件振動位移使工具與工件接觸時，復合材料宏觀上更傾向于被磨粒塑性剪切去除。盡管二維振動效應增加了放電概率和頻率，但與電解和磨削相比較仍可忽略不計。即復合材料中的金屬基材料去除形式主要為電解溶解和塑性剪切，陶瓷基多為塑性剪切。復合材料特殊的材料去除形式，導致其獨特的表面生成機理。

圖2 加工原理Fig.2 Machining principles

1.1 單顆粒磨削表面的生成

磨削加工后的三維表面形貌是工具磨粒的幾何形狀和運動軌跡輪廓的“復映”。沿進給方向上磨粒刮磨的殘留高度在加工表面上形成與磨粒間距有關的凸起和凹槽。而二維超聲輔助磨削加工生成的表面是在普通磨削（GM）加工的基礎上，復合單顆粒二維超聲運動軌跡擬合的三維形貌［19］，其溝槽模型如圖3所示。單顆粒隨工件振動而周期性地接觸-遠離工件表面，即切向碾壓、研磨工件表面。而工具Z向振動加寬了凹槽寬度。

圖3 磨粒側面磨削溝槽模型Fig.3 Groove model of abrasive side grinding

假設磨粒大小一致且分布均勻，每個單磨粒去除材料的形式和運動軌跡相同。在單位旋轉進給周期內，軸向和切向超聲作用下，單磨粒實際研磨投影長度Ls，投影寬度Lp，分別為：

式中，Lsg為工具旋轉一周的進給距離，Lsg=vw/n；Lpg為溝槽平均間距，Lpg=cLpa，Lpa為單磨粒平均間距，c為與加工深度ae有關的修正系數。單磨粒作用面積Su是在GM磨削覆蓋面積Sg的基礎上增加了X和Z向超聲振幅的重疊面積，影響最終表面的生成。往復研磨區的面積比δs可表示為：

將2AX/Lsg稱為切向長度覆蓋比δX，將2AZ/Lpg稱為軸向長度覆蓋比δY，則：

當δX=δY=0 時，δs=1，為普通磨削加工。當δX＞0，δY＞0 時，δs＞1，意味著單磨粒對普通磨削加工區域至少完成一次碾壓覆蓋。一定轉速下，進給速度越小，Lsg值越小，則有效時間內振動次數越多，可認為磨粒在X向和Z向刮磨域內溝槽磨削和放電熔融復合材料后產生的凸起、電解溶解后的難溶物和裸露的增強顆粒均有效去除；兩向振幅的增加導致δs值增大，提高研磨投影面積，越可獲得更好表面質量。

1.2 電解/放電表面形貌的生成

復合材料2UECM/EDM 加工表面的生成，則因金屬基和增強基材料的性能不同而不同。如圖4所示。二維超聲輔助磨削后的工件表面，因金屬基被電解溶解，實際隆起高度有所減少。增強顆粒因周圍材料被溶解而暴露或被完全釋放出工件表面而脫落，表面留下孔洞。

圖4 二維超聲電解/放電加工表面創成機理Fig.4 2UECM/EDM surface generation mechanism

忽略電解液參數的影響，則凹坑底部的電解加工深度he可表示為：

式中，C=DηωκUR，UR為電解液的歐姆電壓降；D為脈沖電源占空比；κ為電解液電導率；ω為體積電化學當量；η電流效率；ke為考慮放電加工的系數。G（0G0≥a）為凹坑最低處初始間隙，tc為有效加工時間。復合材料中金屬基溝槽隆起部分的電解深度h′e為：

式中，Gus=G0-Rus。Rus為單磨粒磨削后溝槽凸起高度。則實際隆起部分的高度可表示為：

將式（7）和式（8）帶入式（9）可知，h′e＞he，則Rts＜Rus，Rts隨著電壓、加工間隙的增加而減小。

三維表面粗糙度可定義為，在長為ls和lp的表面上，做一中面lc使得三維形貌分為上下體積相等的兩部分，如圖4 所示。定義凹坑表面形貌高度為H（xe，yk）≤Rts，則二維超聲電解/放電加工的二維表面粗糙度模型可表示為m×n個采樣點的算術平均高度值，即：

從式（10）可知，磨粒高頻研磨工件表面時，增加單磨粒投影面積、隆起金屬基部分的電解深度，有利于減小殘余高度，從而降低表面粗糙度值。當工具和工件參數一定時，面積比和電壓是實際磨粒作用路徑、材料去除機理以及最終的表面形貌的生成的主要影響參數。

2 試驗

二維超聲復合電解/放電加工裝置如圖5 所示，包括三軸加工機床、超聲加工系統、電解/放電系統組成。通過X向超聲發生裝置將振動傳遞至工件，在BT30刀柄上增加Z向超聲振動裝置。工具通過導電滑環接入電源負極，工件接入電源正極，并浸沒在低電壓、低電流密度的電解液中組成電解/放電系統［17］。試驗中使用的鎢鋼工具直徑為6 mm，且表面鍍覆金剛石磨粒，粒徑為150 μm。

圖5 試驗裝置Fig.5 Experimental setup

工件材料為碳化硅顆粒增強鋁基復合材料（40SiCp/Al），其主要材料性能如表1所示。

表1 40SiCp/Al的材料性能Tab.1 Material properties of 40 SiCp/Al

電解液采用1wt%硝酸鈉水溶液。工件樣品的初始尺寸為50 mm×50 mm×5 mm，加工前對50 mm×5 mm 的加工面進行了研磨處理，并清理干凈。設計了普通磨削加工（GM）、磨削復合電解/放電加工（GECM/EDM）、二維超聲輔助磨削加工（2UM）和二維超聲復合電解/放電加工（2UECM/EDM）4 種工藝的對比試驗，主軸轉速為1 000 r/min，進給速度設置為10 mm/min，加工深度為0.01 mm，其他參數見表2。根據對比試驗結果設計了不同單周旋轉進給距離、電壓和振幅下的加工試驗，如表3 所示。面積比計算值如表4 所示。使用表面輪廓儀（Counter GTX）進行Ra測量、LSM 700激光顯微鏡進行3D 表現形貌圖像制作、掃描電子顯微鏡（SEM）表征加工后的微觀表面。

表2 對比試驗參數設計Tab.2 Parameter design for comparison experiments

表3 2UECM/EDM 參數設計Tab.3 2UECM/EDM parameter design

表4 2UECM/EDM 的面積比值Tab.4 Area ratio of 2UECM/EDM

3 試驗結果

3.1 表面粗糙度

不同工藝技術的三維形貌對比見圖6。GM 加工的凹槽底部可見明顯的增強顆粒，在磨粒進給路徑的兩側產生堆積，溝槽隆起部分高度和寬度都較為明顯。GECM/EDM 加工的凹槽底部可見較多顆粒，坑底部比GM 更為粗糙，凹槽邊緣同樣出現較多尖角狀，這是電解/放電作用留下的增強顆粒和難溶物。由于Z向超聲作用下，單磨粒與工件表面間斷性撞擊導致凹槽寬度增加，而X向超聲振動左右下對金屬基材料進行擠壓、對增強顆粒進行拖曳碾壓，導致凹槽邊緣光滑和均勻、底部平坦，與GM 工藝相比，2UM 對材料的表面質量有所改善。在2UECM/EDM中，電加工對表面凸起電解溶解、放電熔蝕，表面凸起高度降低。

圖6 不同工藝三維表面形貌Fig.6 3D surface morphology of different technologies

表面形貌參數對比如圖7 所示，2UECM/EDM 的Rts值約為11.3 μm，比GM、GECM/EDM 和2UM 分別減少了4.9，3.2 和1.6 μm。這表明二維超聲的研磨覆蓋和電解作用對Rts的降低均有效。GM 時的Lp約為67.3 μm，而在二維超聲和電壓作用下，2UECM/EDM 的Lp達到75.5 μm，其投影寬度大于無軸向振動時的普通磨削，這意味著軸向振動可增加磨粒磨削后的溝槽寬度，有利于溝槽底部的平整和邊緣的光滑。2UECM/EDM 的Ra僅為3.2 μm，比GM、GECM/EDM 和2UM 分別減小45.6%、24.0% 和9.2%。這意味著，增加振動和電壓，利用軸向超聲的擴寬作用、切向超聲的碾壓作用以及電解/放電的整平作用，直接影響Ra，有利于改善復合材料的表面質量。

圖7 不同工藝表面形貌參數Fig.7 Surface morphology parameters of different technologies

圖8顯示了在不同參數下Ra的變化規律。Ra隨著Lsg的增加而增加，這是由于進給速度的增加，有效時間內的振動次數減少，研磨面積比降低。在4 V 電壓時的Ra取得最小值，較高電壓增加了電解溶解金屬基的深度，裸露的增強顆粒增加了表面不平整度，而較低的電壓無法有效減小隆起和溝槽的高度差，影響了表面質量。圖8（c）中Ra隨著振幅的增加而減小，這意味著較大振幅時，增強基顆粒拖曳位移、碾壓面積比、凹槽寬度同比增大，加工表面得到改善。

圖8 工藝參數對表面粗糙度的影響Fig.8 Effect of process parameters on surface roughness

圖9 中面積比δs與表面粗糙度值Ra具有較大相關性，這與式（10）分析結果一致。二維超聲振動對在面積比為1.8時表面粗糙度值出現明顯的轉變點，這與進給速度有關。在4 和6 V 電壓下面積比為3.2時Ra比1.8 時分別降低了約16.7%和13.8%；當相鄰磨粒面積比δs小于1.8 時，進給速度較快，電解/放電加工時間較少，不同電壓下Ra并沒有顯著降低，對表面質量的改進作用較小。這意味著較大進給速度下，小于5 μm 的振幅并不能顯著發揮超聲的輔助作用；而較小進給速度時，選擇較小電壓和振幅仍能保證表面質量。因此，不同電壓下的優選區域內的面積比可作為復合材料二維超聲電解/放電高效、高質加工的工藝選擇。

圖9 不同電壓下Ra與δs的關系曲線Fig.9 Curve of Ra and δs at different voltages

3.2 表面形貌

不同電壓時復合材料加工表面SEM 圖如圖10所示。復合材料加工表面上較光滑的為金屬基材料，6 V電壓比4 V時的凸起高度小，意味著電加工的整平作用更明顯，但由于增強顆粒的非導電性，表面顆?？梢姅盗慷嘤? V。盡管二維超聲對顆粒進行碾壓，減少了凸起，較高電壓時電解/放電加工效應顯著，電解/放電降低凸起高度的同時，電解二次加工增加了顆粒脫落后的孔洞數量和殘余顆粒的裸露深度，從而增加了粗糙度值。而從圖11可以看出，不同面積比時工具對加工表面的研磨效果。δs為1.89時，進給速度較快，電解/放電加工時間增加，表面裸露的增強顆粒較多，與圖10（b）比較可知，二維超聲作用對表面改善作用并不明顯。δs為3.2 時，單磨粒研磨投影面積大于δs=1.89 和2.3 時，凸起高度與圖11（b）相比明顯降低，凹坑底部碾壓、抹平，孔洞減少，生成表面較為平整，提高了表面質量。

圖10 不同電壓SEMFig.10 SEM pictures at different voltages

圖11 不同面積比SEMFig.11 SEM images with different area ratios

從上述結果可見，二維超聲振動和電壓對表面形貌影響較大，在較大δs和適當的U時取得較小表面粗糙度，而較大的電壓造成增強顆粒的裸露或脫落，表面留下較多孔洞，不利于質量的提高。因此，較小進給時可配置較小振幅，而較大進給速度時應增加振幅，降低電壓以減少電解對增強顆粒的孔洞效應。

4 結論

通過研究二維超聲振動復合電解/放電加工表面生成機理，結合試驗結果，可得出以下結論。

（1）二維超聲振動復合電解/放電加工表面是二維超聲輔助磨削加工和電解/放電加工共同作用下形成的。二維超聲振動對表面溝槽和隆起的往復研磨、抹平，溝槽寬度增加、邊緣均勻。電解/放電加工整平磨削后的表面形貌，減小隆起高度差，降低表面粗糙度。

（2）隨著面積比的增大，加工表面得到改善。進給速度較小時，δs的增加顯著降低表面不平度；進給速度較大時，二維超聲研磨效果并不明顯。δs為1.8附近時Ra出現明顯的轉折區域，在4 和6 V 電壓下，面積比為3.2 時的Ra比1.8 時分別降低了約16.7%和13.8%；

（3）電壓的增加和進給速度的降低使得電解/放電加工時間增加，電解孔洞和裸露的增強顆粒數量更多、分布更廣，Ra并沒有顯著降低，優選區域內的面積比可作為復合材料二維超聲電解/放電高效、高質加工的工藝選擇參考。